實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備解讀：污水變蛋白的脫氮新工藝
這個(gè)“新”概念面前是污水處置的一種脫氮工藝—將氨氮直接轉(zhuǎn)化成微生物蛋白質(zhì)，跳過(guò)氮?dú)廪D(zhuǎn)化這一步，形成一個(gè)抄近路的氮循環(huán)的升級(jí)模式 理論上，似乎是挺綠色環(huán)保的生產(chǎn)蛋白質(zhì)的方式，比經(jīng)典方法耗能更少，還將“廢物”轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品。
四年過(guò)去了這項(xiàng)目進(jìn)展如何呢？本期的學(xué)術(shù)星期四”專欄里，一起來(lái)看看吧。
污水變蛋白的脫氮新工藝
這個(gè)脫氮工藝的原理是通過(guò)吹脫，去除污水中的氨氮，并轉(zhuǎn)化為硫酸銨。實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備后續(xù)的生物反應(yīng)器里，硫酸銨通過(guò)生物合成直接轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白（Singlcellprotein簡(jiǎn)稱SCP
促成這個(gè)生物合成的一群叫氫氧化細(xì)菌(Hydrogen-oxidbacteria微生物，一種好氧或兼性的化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌(lithoautroph能用氫氣和氧氣作為電子供體和受體，快速固定二氧化碳，通過(guò)1,5-二磷酸核酮糖(RuBP或逆三羧酸循環(huán)進(jìn)行細(xì)胞合成。重要的吉布斯自由能的理論計(jì)算也支持這個(gè)反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行—這個(gè)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的能量和生成ATP
除銨之外，還原性氫氧化細(xì)菌使用二氧化碳作為碳源，氫作為能量源，氧作為電子受體。這不都是可以在污水處置廠可以找到原材料嗎？這引起了以Verstraet教授為代表的污水資源回收專家的興趣！
其實(shí)早在上世紀(jì)70年代，就已經(jīng)科學(xué)家開(kāi)始關(guān)注這種細(xì)菌，當(dāng)時(shí)它被視作能制造多種產(chǎn)品的細(xì)菌，其中就包括微生物單細(xì)胞蛋白(SCP合成。這種細(xì)菌之所以被給予厚望，因?yàn)樗玛惔x方面超高的靈活性和多功能性—不只能在異養(yǎng)和自養(yǎng)模式間輕松切換，而且可以間歇或連續(xù)進(jìn)行。
項(xiàng)目進(jìn)展
2016年初，開(kāi)展可行性研究，地點(diǎn)選在荷蘭的阿姆斯特丹西區(qū)污水廠。目標(biāo)是分析Power-to-Protein項(xiàng)目跟當(dāng)?shù)啬男撛谫Y源需求相匹配，確定其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，確立最終的研究方向。
初步分析結(jié)果顯示，污水中蘊(yùn)含的SCP潛力可觀—阿姆斯特丹西區(qū)污水廠一年產(chǎn)生的污泥消化液可轉(zhuǎn)化出6300噸SCP這相當(dāng)于能滿足阿姆斯特丹36%凈蛋白需求。另外他還對(duì)蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、可消化性、變應(yīng)原性以及公眾接受度進(jìn)行了初步評(píng)估，以求確定高效的氨提取方法。
基于可研結(jié)果，通過(guò)TKI水技術(shù)項(xiàng)目申請(qǐng)資助，并和阿姆斯特丹水委會(huì)Waternet垃圾發(fā)電公司AEB水循環(huán)研究所KWR等機(jī)構(gòu)合作，籌集了阿姆斯特丹繼續(xù)中試實(shí)驗(yàn)的資金。
中試工廠有兩個(gè)地點(diǎn)，一個(gè)在阿姆斯特丹西邊的Horsterm污水廠，一個(gè)為荷蘭東部的Enschede污水廠。設(shè)計(jì)的反應(yīng)器體積為400L產(chǎn)能為1kg蛋白質(zhì)/天。實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備通過(guò)用氣相轉(zhuǎn)移氨來(lái)確保微生物產(chǎn)品的平安性，通過(guò)綜合丈量來(lái)確定氮?dú)饣厥章�，生物反�?yīng)器的表示和產(chǎn)品的微生物可靠性。
2019年，等來(lái)了中試進(jìn)展演講。結(jié)果顯示，當(dāng)前工藝的平安性得到進(jìn)一步確認(rèn)—源自污水處置的硫酸銨病原體可以忽略不計(jì)。遺憾的中試的產(chǎn)能并不理想，反應(yīng)器每天平均只能生產(chǎn)0.5kg/m3SCP遠(yuǎn)低于預(yù)期的1.7kg/m3水平。這說(shuō)明目前的生物轉(zhuǎn)化效率還有待提高，設(shè)計(jì)理念需要進(jìn)一步優(yōu)化。
未來(lái)計(jì)劃
盡管聽(tīng)上去進(jìn)展有所受挫，合作方似乎還沒(méi)有放棄，今年年初他再次通過(guò)TKI啟動(dòng)了后續(xù)項(xiàng)目：總結(jié)中試的教訓(xùn)，將回過(guò)頭研究生物反應(yīng)器的氫轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)進(jìn)程，希望通過(guò)加深對(duì)原理的認(rèn)識(shí)來(lái)改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。終究，平安的前提下，還需要顯著提高優(yōu)質(zhì)蛋白的產(chǎn)量才干使這個(gè)美好概念變成經(jīng)濟(jì)可行的商品。
如果這個(gè)9月你剛好路過(guò)荷蘭，可以考慮去一趟阿姆斯特丹的NEMO科學(xué)博物館。館里最近有個(gè)"未來(lái)食品"FUTUREFOOD展，那里將體驗(yàn)一段高科技的未來(lái)食品之旅，會(huì)看到各種昆蟲(chóng)美食、試管牛肉以及各種新的育種方法。展館給“POWERtoPROTEIN也安排了展出的空間。10月6日之前大家如果恰好經(jīng)過(guò)，都還來(lái)得及去看個(gè)熱鬧。
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